并聯(lián)式桌面3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

摘

要：從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控部分和上位機(jī)軟件三方面講述了并聯(lián)式3D打印機(jī)的組成，采用SolidWorks三維建模軟件設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)式3D打印機(jī)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算和步進(jìn)電機(jī)算法對(duì)其進(jìn)行控制。結(jié)果表明，其打印速度最快達(dá)到90mm/s，打印精度±0.2mm，設(shè)備整體尺寸僅為200mm×200mm×200mm，能作為桌面式教學(xué)設(shè)備，而且操作簡(jiǎn)單，造價(jià)成本較低，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：并聯(lián)式；3D打印機(jī)；開源硬件；運(yùn)動(dòng)算法0引言

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自2008年起，桌面式3D打印機(jī)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，這主要是因?yàn)閞eprap的開源技術(shù)得到了極大的推廣應(yīng)用，從而產(chǎn)生了多個(gè)制造桌面3D打印機(jī)的知名企業(yè)。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，在開源3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上逐漸出現(xiàn)了SLS、SLA、DLP、3DP等多種打印技術(shù)，對(duì)制造業(yè)的進(jìn)步發(fā)展產(chǎn)生了重大意義。而3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了門架體系結(jié)構(gòu)、雙光軸結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)等多種形式，其中并聯(lián)式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械傳動(dòng)反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，因而推廣應(yīng)用價(jià)值較大。然而，并聯(lián)式3D打印機(jī)算法復(fù)雜，裝配要求和加工要求也比較高。目前，F(xiàn)DM（熔融沉積成型）類型的3D打印機(jī)已經(jīng)開發(fā)到第3代了，但所制造設(shè)備一直受限于笛卡兒坐標(biāo)系，沒有進(jìn)一步突破原有的結(jié)構(gòu)，打印速度和打印精度遇到了瓶頸。由于并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有快速、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，其打印速度比普通坐標(biāo)系打印機(jī)要快，因此有必要對(duì)并聯(lián)式3D打印機(jī)進(jìn)行研究。查閱相關(guān)資料可知，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)換算，轉(zhuǎn)化成笛卡兒坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)，最終用于設(shè)計(jì)并聯(lián)式3D打印機(jī)。1并聯(lián)式3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

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1.1

工作原理3D打印機(jī)主要工作原理是通過(guò)電腦的切片軟件將三維模型按照設(shè)置的層厚切成一層一層，再根據(jù)切片算法，把面化成線的填充，再轉(zhuǎn)化為G代碼。3D打印機(jī)控制軟件通過(guò)串口通信的方式，把數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)的主控板，主控板上的固件主要由G代碼解釋器組成，G代碼解釋器把數(shù)據(jù)流解釋為3個(gè)驅(qū)動(dòng)噴頭運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)和1個(gè)擠料電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)A4988驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它的溫控系統(tǒng)用了PID閉環(huán)控制，可以把溫度穩(wěn)定地控制在某個(gè)值，從而保證塑料的熔化，使噴頭能夠均勻出絲。1.2

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主體由陽(yáng)極氧化的鋁板和4040鋁型材組成，基座執(zhí)行器主要由CSK直線導(dǎo)軌、線軌滑塊、GT2皮帶和42步進(jìn)電機(jī)組成，末端執(zhí)行器主要由賽鋼材質(zhì)加工而成的平臺(tái)、萬(wàn)向關(guān)節(jié)、斜桿組合而成。1.2.1

打印耗材料架傳統(tǒng)打印機(jī)的耗材料架一般采用三種方式設(shè)計(jì)。第一種是脫離3D打印機(jī)本體的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然輕便，但在使用上并不方便，在3D打印的過(guò)程中，偶爾料架會(huì)被帶動(dòng)偏移，導(dǎo)致打印失敗。第二種是采用內(nèi)藏式的結(jié)構(gòu)，為了在外形上容納耗材料架，3D打印機(jī)機(jī)身體積會(huì)進(jìn)一步增大，為使體積盡可能縮小，一般會(huì)把存放耗材的空間做得非常小，這種設(shè)計(jì)并不利于長(zhǎng)時(shí)間打印。第三種是頂置式，頂置式對(duì)耗材的存放空間沒有限制，因此，設(shè)計(jì)一套不需要完全拆卸的頂置式料架，如圖1所示，料架兩側(cè)板根部用合頁(yè)與頂板連接。當(dāng)需要上料的時(shí)候，把兩側(cè)板立起來(lái)，再放上一根支撐橫梁即可。當(dāng)需要運(yùn)輸拆卸時(shí)只需把橫梁提起來(lái)，兩側(cè)板往外折攤平即可。1.3

電控和軟件電控部分主要由Mega2560、J-head加熱噴頭、熱敏電阻、Ramp1.4、A4988、MK2PCB熱床、限位開關(guān)等部件組成。桌面式3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其簡(jiǎn)單易用，開源社區(qū)里發(fā)布了很多優(yōu)秀的3D打印控制軟件，其中有Cura和Printrun。Cura的界面如圖3所示，優(yōu)點(diǎn)在于圖形化界面，簡(jiǎn)單易用。Printrun的界面如圖4所示，優(yōu)點(diǎn)在于可以控制多種3D打印機(jī)，功能選項(xiàng)較多。并聯(lián)式3D打印機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，它的打印起始點(diǎn)與普通打印機(jī)不同，另外它的打印范圍是一個(gè)圓，有別于普通打印的正方形，因此選擇了設(shè)置參數(shù)比較多的Printrun。2并聯(lián)式運(yùn)動(dòng)算法設(shè)計(jì)

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2.1

運(yùn)動(dòng)算法設(shè)計(jì)并聯(lián)式結(jié)構(gòu)特殊，它與普通直聯(lián)式不一樣，并不是通過(guò)三維坐標(biāo)xyz的三個(gè)參數(shù)來(lái)直接對(duì)應(yīng)控制三個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)所走的參數(shù)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)所用的坐標(biāo)系不是笛卡兒坐標(biāo)系，它的三維坐標(biāo)點(diǎn)需要進(jìn)行一個(gè)換算，映射到端點(diǎn)坐標(biāo)中，然后根據(jù)端點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)推算3個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[6]。如圖5所示，將并聯(lián)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。因?yàn)镕DM熔融沉積打印技術(shù)是通過(guò)熔化的塑料層層堆積，因此，要使打印平臺(tái)工作時(shí)提升1mm（兩斜桿為剛性材料，忽略其形變），A點(diǎn)和B點(diǎn)同時(shí)往上提升1

mm即可，而A點(diǎn)和B點(diǎn)的上升運(yùn)動(dòng)則通過(guò)其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。設(shè)兩斜桿長(zhǎng)度都為5，平臺(tái)長(zhǎng)度為2，初始位置，斜桿與水平面所成夾角為45°，因此A點(diǎn)和B點(diǎn)與水平面距離都為，平臺(tái)需要向左移動(dòng)的距離時(shí)，不難得出，A點(diǎn)上升，B點(diǎn)下降，平臺(tái)依然保持水平狀態(tài)。同理，在三維坐標(biāo)中，G代碼給出的是噴頭噴嘴的坐標(biāo)，因此需要把噴嘴坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)基座執(zhí)行器的坐標(biāo)。設(shè)噴嘴坐標(biāo)為（x，y，z），噴頭平臺(tái)三點(diǎn)坐標(biāo)A（ax1，ay1，az1），B（bx1，by1，bz1），C（cx1，cy1，cz1）。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，易得出噴嘴坐標(biāo)與噴頭平臺(tái)A、B、C點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，jh為打印噴頭高度，R為噴頭平臺(tái)外接圓半徑，關(guān)系如表1所示。同理，對(duì)于基座執(zhí)行器，設(shè)噴頭基座執(zhí)行器三點(diǎn)坐標(biāo)，基座A（ax2，ay2，az2），基座B（bx2，by2，bz2），基座C（cx2，cy2，cz2），同時(shí)得出噴嘴坐標(biāo)與基座執(zhí)行器坐標(biāo)之間的關(guān)系，如表2所示。因此，設(shè)la、lb、lc為x、y、z三個(gè)軸到打印平臺(tái)萬(wàn)向軸的水平距離，可得：設(shè)3個(gè)基座與平臺(tái)之間的垂直距離分別為ha、hb、hc，可得：所以，可以從噴頭平臺(tái)映射到3個(gè)基座執(zhí)行器坐標(biāo)的z軸坐標(biāo)如下：斜桿相關(guān)部分的實(shí)際尺寸如圖6所示。通過(guò)以上理論基礎(chǔ)計(jì)算，控制程序可以轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言，如下所示：部分并聯(lián)3D打印機(jī)的核心算法//斜桿所在兩萬(wàn)向節(jié)之間的實(shí)際長(zhǎng)度#defineBINGLIAN_LONG_XIEGAN186.0//mm//末端執(zhí)行器噴頭中心到線軌之間的水平距離#defineBINGLIAN_SHUIPING_XIANGUITOPINGTAIZHONGXIN140.0//末端執(zhí)行器中心到其萬(wàn)向節(jié)的水平距離#defineBINGLIAN_SHUIPING_XIANGUITOXIAOYINGQI19.9//mm//線軌到滑塊萬(wàn)向節(jié)的水平距離#defineBINGLIAN_SHUIPING_MODUANZHIXINGQITOWANXINGJIE19.5//mm//滑塊萬(wàn)向節(jié)到末端效應(yīng)器萬(wàn)向節(jié)的水平距離#defineBINGLIANWITHBANJING對(duì)于該設(shè)備3個(gè)鋁型材支架上XY平面的坐標(biāo)點(diǎn)（圖7），可以轉(zhuǎn)化代碼如下：//EffectiveX/YpositionsofthethreeverticalGAOTAs#defineSIN_600.8660254037844386#defineCOS_600.5#defineBINGLIAN_GAOTA1_X-SIN_60*BINGLIANWITHBANJING//frontleftGAOTA#defineBINGLIAN_GAOTA1_Y-COS_60*BINGLIANWITHBANJING#defineBINGLIAN_GAOTA2_XSIN_60*BINGLIANWITHBANJING//frontrightGAOTA#defineBINGLIAN_GAOTA2_Y-COS_60*BINGLIANWITHBANJING#defineBINGLIAN_GAOTA3_X0.0//backmiddleGAOTA#defineBINGLIAN_GAOTA3_YBINGLIANWITHBANJING2.2

步進(jìn)電機(jī)算法驅(qū)動(dòng)該設(shè)備所用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，所以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈：360°/1.8°=200步（0.9°步距角的電機(jī)為400）。在沒有使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的情況下，需要給步進(jìn)電機(jī)200個(gè)脈沖，電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)一周。在電控部分中，該設(shè)備采用A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，利用其最高的細(xì)分?jǐn)?shù)——16細(xì)分，因此使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的情況下，轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖：200×16=3200。該設(shè)備采用GT2同步帶，齒型間距為2mm，采用16齒的GT2同步輪。因此，步進(jìn)電機(jī)每走1mm所需脈沖根據(jù)下式計(jì)算：并聯(lián)式3D打印機(jī)上三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式是相同的，所以不難得出，另外兩軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)也是相等的[7]，同時(shí)設(shè)備上擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)也用了同樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)也為16。因?yàn)閿D出機(jī)的細(xì)分直接決定模型表面打印質(zhì)量，所以要精細(xì)控制其擠出量。擠出機(jī)采用了遠(yuǎn)程供料結(jié)構(gòu)，所以必須使用齒輪減速，以克服3D打印耗材和導(dǎo)料管間的摩擦力。在齒輪減速機(jī)構(gòu)中，該設(shè)備采用了行星輪減速機(jī)構(gòu)，減速比為5.18，擠出輪齒輪直徑為12mm。所以，擠出輪使耗材每走1mm所需脈沖根據(jù)下式計(jì)算：由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)和計(jì)算存在一定的誤差，因此調(diào)試設(shè)備時(shí)，可以打印一個(gè)長(zhǎng)方體，根據(jù)其長(zhǎng)寬高的實(shí)際長(zhǎng)度和模型設(shè)計(jì)長(zhǎng)度之間的比例關(guān)系，重新映射到X、Y、Z三軸每毫米的脈沖。因此對(duì)應(yīng)更改Marlin固件的參數(shù)配置，更改如下：//默認(rèn)參數(shù)設(shè)置#definemorenA_SPU

{100,100,100,439.9151}//

默認(rèn)xyze電機(jī)的脈沖數(shù)#definemorenM_JINGEI

{800,800,800,800}//單位mm/s#definemorenM_JIASUDU

{1700,1700,1700,1700}//4軸電機(jī)最大加速度#definemorenJIASUDU

2900//打印情況下最大加速度#definemorenFUWEIJIASUDU

2900//復(fù)位情況下最大加速度3結(jié)語(yǔ)

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本文介紹了并聯(lián)式3D打印